개질형 On-Site 수소충전소의 안전성 향상을 위해 요구되는 안전무결수준 달성 방안에 관한 연구 = A Study on the achievement of Required Safety Integrity Level to Enhance Safety for SMR On-Site Hydrogen Refueling Stations

국문 초록 (Abstract)

최근에 화석연료를 대체하기 위한 신재생에너지원으로서 수소는 가장 큰 관심을 받고 있고 그에 따라 수소전기차 및 수소충전소의 증가도 예상된다. 그 중에 SMR (Steam Methane Reforming) On-Site 수소충전소의 개질시스템에서 발생 가능한 수소의 화재 및 폭발 위험성 평가와 같은 정량적 위험성 연구는 지속적으로 이루어지고 있는 반면에, 사고를 사전에 예방하여 리스크를 줄이고 안전성을 높일 수 있는지에 대한 연구는 부족한 실정이다. 따라서, 기능안전(Functional Safety) 측면에서 수소충전소 내 개질시스템의 안전무결수준(SIL)을 높임으로써 충전소의 리스크를 낮추고 안전성을 향상시킬 수 있는지 연구하고자 한다.
수소충전소 개질기 내 최악의 사고 시나리오는 HAZOP 분석을 통해 High Temperature 조절 실패로 인해 개질기 손상 및 Rupture 로 인한 화재, 폭발 사고 시나리오로 선정하였다, 해당 시나리오가 허용 가능한 위험 수준(Tolerable Risk)까지 줄이기 위해 요구되는 안전무결수준은 LOPA기법을 활용하여 SIL 2, RRF 500 이상이 필요한 것으로 확인하였다. 요구되는 SIL값을 맞출 수 있는지 검증(Verification)하기 위해서 Software을 활용하였고 실제 SIS 구성 요소의 고장률(Failure Rate) 자료를 넣어서 PFDavg.값을 계산할 수 있었다. Base Condition의 경우에 요구되는 SIL값을 맞추지 못하여, 안전계장시스템(SIS)의 구성 요소 중 Sensor 및 Final Element에 대한 복수화(Redundancy) 적용 및 점검 주기(Proof Test Interval)를 줄이는 방안을 고려하여 여러 Case 조건을 갖고 SIL 향상시킬 수 있는지 분석하였다. 최종적으로 Sensor의 2oo3 (2-out-of-3) 및 Final element의 1oo2 (1-out-of-2) Voting을 적용하여 위험감소계수(RRF)를 7배 넘게 증가시켰고, 추가로 점검주기는 12개월로 줄여서 적용함으로써 위험감소계수가 추가로 2배 더 높이는 결과를 얻었다. 이는 요구되는 안전무결수준, SIL 2를 만족할 뿐만 아니라 SIL 3까지 높이는 결과를 얻을 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In recent years, hydrogen has received much attention as an alternative energy source to fossil fuels. In order to ensure safety from the increasing number of hydrogen refueling stations, prevention methods have been required. In this regard, this study suggested an approach to enhance the safety of hydrogen refueling station by increasing Safety Integrity Level (SIL) for a Steam Methane Reformer (SMR) in On-Site Hydrogen Refueling Station. The worst scenario in the SMR was selected by HAZOP and the required SIL for the worst scenario was identified by LOPA. To verify the required SIL, the PFDavg.(1/RRF) of Safety Instrumented System (SIS) in SMR was calculated by using realistic failure rate data of SIS. Next, several conditions were tested by varying the sensor redundancy and proof test interval reduction and their effects on risk reduction factor were investigated. Consequently, an improved condition, which were the redundancy of two-out-of-three and the proof test interval of twelve months, achieved the tolerable risk resulting in the magnitude of risk reduction factor ten times greater than that of the baseline condition.

목차 (Table of Contents)

• 요약 ⅰ
• 표목차 ⅲ
• 그림목차 ⅳ
• 사진목차 ⅴ
• I. 서 론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 내용 및 절차 2
• II. 이론적 고찰 4
• 1. 수소충전소 4
• 2. 위험과 운전분석 (HAZOP) 8
• 3. 방호계층분석 (LOPA) 9
• 4. 안전무결수준 검증 (SIL Verification) 15
• III. 연구 대상 및 방법 19
• 1. 연구 대상 19
• 2. 연구 방법 24
• IV. 연구 결과 및 고찰 39
• 1. 위험과 운전분석 (HAZOP) 결과 39
• 2. 방호계층분석 (LOPA) 결과 43
• 3. 안전무결수준 검증 (SIL Verification) 결과 46
• V. 결 론 57
• 참고문헌 59
• 영문초록(Abstract) 62
• 감사의글